112選生四－2-2族群的討論課+地方學(從族群學看新竹的人口管理問題＋台灣漁業管理策略)

第一節課是112選生四－2-1生態學、2-4生態系交互作用的地方學＋討論課程

第二節課是112選生四－2-4生態系２能量流轉的討論教學

第三節課是112選生四－2-4生態系３物質循環的討論教學

第四節課112選生四－2-3群集的討論課程

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這是第五節課，主題是族群。

主軸是讓學生能把族群學的知識內化成自己看這個世界的框架，也能影響日後對社會的管理，而不是只當作課本上必須背誦的知識。

所以安排了利用第一節課提過的魚苗放流管理(前情提要)來看族群學應用在實際的經濟層面。

同時也利用新竹這個人口成長快速，卻沒有應用組群學預先進行規劃與管理的例子，讓學生知道自己其實是「管理者不利用族群學的受害者」

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上次上課是看一個生態系統中，不同生物間的影響。

這次要來看同種生物的群體中，有哪些事情發生。

課本上寫的族群定義，是概念上的。

功能上，族群的定義是那些會互相影響、使用相同資源、承擔相同風險，也會有基因交流的個體。

這樣的一群個體間，會有幾種交互作用是「不會發生在不同種的生物間」的，也就是在前面的幾節課中所學的內容都無法涵蓋的。

除了我們在第一章時，學到的族群遺傳學，在這邊我們會看族群的密度、結構與生存曲線，來看看如何利用與管理一個族群的資源。

也先預告今天會看新竹縣市的人口管理與都市規劃是活生生的族群學無知者的產品。

（學生立馬眼睛亮起來，而且一邊好奇一邊大笑）

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來吧

我們先看族群密度的定義。

看起來很簡單，就是單位空間中有幾個個體。

不過呢，對於不同的生物來說，即使在地圖上看起來的空間一樣大，實際上可用的面積或體積其實是很小的。

例如這邊不同分布的模式，實際上可用的面積都是不同的。

對於人類族群來說，台灣島上只有一小部分的面積是可以算進人口密度的。

而新竹更是少，如果看上面地圖中的竹北，實際上都是不適合居住的。

因為竹北原本是水稻田，表示容易積水、底質主要為泥地，是不適合蓋高樓的。

這也是竹北號稱天坑之城的原因啊～

那個家裡爸爸媽媽很有錢、週末沒事就去團購房子的同學，記得跟爸媽說，不要再買竹北的房子了蛤

（我們有１／３的學生是住竹北，上面這段話的效果之佳，完全在我的預計之中哈哈哈）

剛剛我們看的是分母，族群密度的分子是族群的個體數。

就像在地理課曾經提的，就是遷入、遷出、出生與死亡總和。

前面第一節課我們講過的綠色海鮮指南，其中一個個考量的面向就是族群密度與大小。

合併第二節課的數量塔，我們應該主要利用下層的魚種，因為族群通常較大、密度較高。

族群大小可以用捉放法來估計。

國中的時候我們學過，現在我們就用台灣漁業管理策略中的魚苗放流研究來看看實際上的用途，還有大家是不是真的會算～

台灣其實從很久以前，就開始利用魚苗放流去增補海中魚類族群，好讓漁民有足夠的漁獲可以謀生。

根據日本之前的統計，台灣是亞洲放流魚苗量的第二名。

之前是利用在魚鰭打標，然後請釣魚的人在捕獲時通報，來計算野外族群大小。

例如2006與2008分別放了108000隻有標記的魚苗，而分別在548隻中有41隻有標記，1642之中有76隻有標記。

接著就請大家算一下，族群變大還是變小。

先請學生彼此確認答案，再由我在白板上算一次給大家看。

而去年年底，漁業署發佈了新的研究數據。

因為之前用打標的方式其實回報率會很低，因為釣友不見得會回報。

打標也可能降低魚的存活率。

所以現在是利用基因標誌去調查。

其實就是利用我們第一章提到的中性演化理論中，不會被天擇作用的突變片段去當作標記。

結果發現竟然有快要一半的魚都是放流的魚苗。

如果我們將這個結果類比到原先2006年的黑鯛。

• 野外族群的大小發生了什麼事情呢？
• 除了野外族群的大小真的有變動之外，還有哪些可能會讓數字變動？

這邊就會留一些時間讓學生有機會倆倆討論。

然後我再統一請同學分享。

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如果我們長期追蹤一個物種的族群，那麼一般來說很少是這種指數成長的Ｊ型曲線，多半是右邊這種Ｓ型的。

會先緩慢適應，然後才快速成長，直到接近環境負荷量時就會有減速成長的現象。

這邊其實學生在國中學過，所以我沒有解釋太多，只有問學生

在人類族群中，這段動態平衡的下降階段，是發生什麼事呢？

其實不是戰爭，也不是傳染病。

而是大部分的人都不生小孩，而社會歷經一段經濟被（老年人帶來的龐大社會支出）拖垮，大多人的收入無法支應高物價。

認真就是個人踩人的階段喔～

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如果我們不看遠的，看近的例子。

時間上、空間上的近。

新竹。。。。

新竹的淨遷入人口是前十名，但另外八名都是直轄市。

但新竹縣與新竹市有直轄市等級的規劃嗎？

新竹有大量遷入人口其實已經很久了，但沒有什麼對應的都市空間與軟體規劃。

我們光看大眾運輸就不知道輸到哪裡。

桃園市近五年才升格直轄市，可是人家1989就開始規劃捷運了。

從年齡結構來看，新竹整個就是個毫無族群學知識的活生生案例。

地理科學過年齡結構，所以就沒有細講。

只有強調生物的年齡結構不是五歲一級，而是只看生殖期前、中、後。

在生殖期之後的個體，對族群的大小是毫無貢獻的，從這個角度來看，只是徒然消耗資源而已。

台灣的全國年齡結構有兩個特徵。

1. 生殖前期的人口遠低於生殖期
2. 女性的比例明顯高於男性（順便衛教一下Ｙ染色體帶來的脆弱）

但新竹不一樣喔。

• 生殖前期與生殖期的差距沒有這麼大。
• 男生與女生的比例也沒有差距這麼大。

為什麼？？？？

讓學生小小討論一下

因為新竹人是全台灣最愛生小孩的啊

生殖醫學診所密度最高的也是新竹。。。。。

（讓學生小小沸騰一下）

不過，雖然新竹的出生率是全台灣最高，卻不代表出生率是逐年上升喔。

（我本來以為大家都知道兩件事的關係並非必然，但後來才發現連很多成人都以為出生率最高就比紹出生率逐年上升）

像竹北，其實十二年前就可以預估現在會有爆量的國中新生，卻在很晚的時候才開始規劃新的國中。

而規劃新的國中也是急就章、沒有預估未來變化的一種措施。

因為，根據104年後的出生數，其實在116年以後，國中新生人數就會急劇減少。

那時候，新設的國中會有嚴重的新生不足的現象。

我跟學生解釋當新生不足的時候，對學校與老師的影響。

真正的重點是，年齡結構是可以用來預測整個族群大小變化的工具，而族群大小的變化就是城市規劃最重要的依據。

新竹卻好像從來都不知道這樣工具，真的是很驚人～～～～～

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最後就是簡單介紹存活曲線囉

我的強調重點在

1. 雖然我們大型哺乳類是第一型，但不代表第一型最好。
2. 事實上，就演化的角度來說，第三型才是更能確保每一代的特性都能快速對應環境的變化。
   
3. 以我們這種生很少，但是保護好好的物種來說，生出了瑕疵品，我們也會確保他會好好長大啊。
   這麼一來，根本不會被天擇淘汰掉！！

到這邊，大概就是在學生的大笑中下課囉～～～～

112選生四－2-3群集的討論課程

第一節課是112選生四－2-1生態學、2-4生態系交互作用的地方學＋討論課程

第二節課是112選生四－2-4生態系２能量流轉的討論教學

第三節課是112選生四－2-4生態系３物質循環的討論教學

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這是第四節課，如同前面課程中的元素，一樣有出乎學生意料的思考與小組討論。

先簡單紀錄，之後有時間再詳細寫。

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說明課程重點

承接第一節課，說明這次上課是進到生物間的作用（而非2-4的生物交互作用對生態系的影響）

這邊只問學生需要講哪幾個例子。

重點在其實沒有真正的片利共生。

附生植物對大樹是有負面影響的喔！（所以才會讓樹皮脫落）

這邊除了生活中的有趣應用外，重點在絕對共生並其實會有壞處的。

這張的重點在「問學生如何判斷哪一條線是吃人家的」

這張的重點在對課本的說法提出質疑與可能的迷思。

這邊在點出這個考倒所有生物老師的圖其實是系統動力學的圖，製圖的過程至少經過兩次微分，也是整併兩個圖的結果。

跟一般科學圖表根本不一樣，圖中所呈現的意義，也跟上方的是一模一樣的。

這邊只簡單帶過優勢種與稀有種，重點在關鍵種。

除了第二節課講的作為許多生物的食物，還有很多其他原因可以成為關鍵種

這邊就出賣我的恩師啦

當初用紅樹林復育為主打的方向，顯然忽略了紅樹林作為關鍵種的影響。

簡單講珊瑚礁切割空間也可以成為關鍵種。

主要是要待到下面的空間結構的概念

這邊的重點是要埋下「邊緣的生物是因為愛光，所以無法長在林下」這個概念，好讓後面消長的討論可以有機會進行。

簡單帶過分層就好，因為不難懂。

重點在消長時的討論。

為什麼消長是不可逆，而且也有固定順序。

這邊也大約留五分鐘，因為有方向就會有方向，給沒方向的小組再多時間也沒用。

會有同學領悟到是因為環境條件。

這時候可以視學生的回答挑戰為什麼初期長出來的樹，在後期沒有了。

學生會回答是因為後期的樹比較高，遮住前期的樹。

可以挑戰那麼當後期的樹死掉的時候，為什麼不是初期的樹長出來呢？

當然會提供學理。

也帶到巔峰群集與先驅群集。

簡單介紹完初級與次級消長後，最後一組提問與討論。

 

112選生四－2-4生態系３物質循環的討論教學

第一節課是112選生四－2-1生態學、2-4生態系交互作用的地方學＋討論課程

第二節課是112選生四－2-4生態系２能量流轉的討論教學

這是第三節課

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因為學生在國中其實學過碳循環，所以我這邊只有很快確認他們對消費者與分解者在這件事情上的角色差異而已。

主軸在人類燃燒化石燃料所增加的無機碳到底有什麼影響。

其實不是全球暖化（本來間冰期就會全球溫度上升）

也不是氣候變遷（氣候本來就會一直變遷）

也不是極端氣候（只要擴展我們對於氣候穩定的定義，就可以不是極端氣候）

課本上說「海水酸化，貝殼變薄」更是怎麼了嗎？

真正的影響是作物減產與傳染病擴展。

不過，大家有覺得買不到食物嗎？有覺得好像生病死掉的人變多嗎？

其實沒有感覺對吧！

那麼為什麼各國政府都花大經費做這麼多事情呢？

沒有哪個政府是為了地球的未來啦！！

真正的影響是當糧食作物的產量下降時，會造成經濟系統的crash。

這邊就以烏俄戰爭讓玉米無法出口、飼料飆漲導致的全球通膨來讓學生有感。

記得要提到台灣的通膨是相對很小的，因為我們的政府對物價的干預相對很大。

這樣可以澄清一些有煽動意圖的不實訊息。

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接著是氮循環。

在介紹時，分成三個層次，一層一層包起來。

1. 先介紹階段
2. 才介紹生物
3. 最後才說生物的角色

從氣態氮無法被植物利用說起。

氮元素必須是離子態才能被植物吸收。

植物將之轉變為蛋白質與核酸等有機形式，在生物間移動。

最後是靠分解者轉換回無機形式。

不過這並沒有完成循環，因為看不出來氣態氮如何變為離子態。

原來是有生物可以做這件事情

甚至也有生物可以將溶於水的銨根轉換為更容易被植物吸收的硝酸根離子。

不過這並沒有完成循環對吧，氣態氮會越來越少。

原來是也有生物會做將離子態的氮再轉換為氣態。

這樣循環就完成囉。

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把氣態氮固定下來的就叫做固氮生物。

接下來的三個階段也都是細菌，命名原則很簡單。

把東西變成亞硝酸根就是亞硝化細菌，把東西變成硝酸根就是硝化細菌，把東西變成銨根就是氨化細菌。

讓學生猜猜看硝酸根變回氮氣的作用名稱跟生物名稱。（過場的有趣介紹而已）

這邊描述共生固氮細菌跟植物之間的共生關係，以及為什麼需要大量氧氣。

尤其著重葡萄糖的功能，以便埋下後面討論的線索。

重點在固氮細菌不是為了自己固氮，是因為要交換葡萄糖。

當然，也就會提到不翻土對於固氮與脫氮的影響。

真正的重點在下面。

這五個細菌都不是為了整個世界的氮循環在做這些事，他們又沒有腦，也沒有崇高的道德。

他們為什麼要進行這些反應？

從這些過程中來判斷的話，各是「自營還是異營？」、「是生產者、分解者還是消費者？」

五個細菌，每個細菌有兩個問題，剛好十個問題。

所以我讓每一組挑一個細菌討論一個問題的答案與判斷的理由。

過五分鐘後讓小組分享。

大家可以選擇分享的順序，後分享的小組要回應前面的小組。

例如答案是否一樣，理由是否一樣。

在學生分享理由時，要幫忙澄清他們判斷的重點，但是不要說明是對的還是錯的。

這樣一來，學生會很明顯的發現各組判斷的依據不只不一樣，還可能是互相矛盾的。

所以最後我會在白板上將「自營、異營」的判斷，以及「生產者、分解者、消費者」的判斷做明確的定義區分。

• 自營與異營是「生物本身」而言，有機物來源的區分。
• 生產者、分解者、消費者的區分是指「被其他生物依賴扮演什麼角色」，不是這個生物自願的。

還有迷思破解

• 自營不見得是生產者。
• 異營更未必是分解者或消費者。
  

學生在國中時，很多都只是背起來，因為例子很少、很簡單，根本不用釐清定義就可以作題。

會有學生覺得會有異營的生產者欸，而且比例並不低。

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最後的最後，讓學生把五個細菌用上面的兩個判斷原則再重新走一遍。

當然在下課前，會跟學生確認答案。

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注意到上面這樣流程的設計，跟直接一步一步講授所有資訊會有哪些學習效果上的差別嗎？

  

112選生四－2-4生態系２能量流轉的討論教學

前面的第一節課是112選生四－2-1生態學與2-4生態系的交互作用

第二節課的主軸是能量流轉與物質循環

一般比較常見的上法是

前面講完

• 生態系的定義是環境＋生物組成的系統
• 生態系的非生物因子與生物因子會交互影響，然後舉幾個例子

然後就是

• 說明生態系裡會有能量流轉與物質循環
• 因為是透過食物鏈的吃與被吃
• 接著就直接講能量流轉與物質循環

我的上法是

從物種的交互作用對生態系的影響切進能量流轉與物質循環。

在這邊會連帶先串起後面群集會講的掠食、競爭、共生與寄生。

（別忘了我是倒過來上，學生是先學生態系，這時還沒上過群集）

（其實這邊有個很大的重點，就是不能讓學生覺得生態學好像跟國中學的差不多）
（下面會看到三個討論讓學生嚇一跳地發現原來是自己以為自己懂，但其實不懂）

（用了幾個元素來讓學生engaged，挑戰教育夥伴可以留意看看）

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我們前面有說，在一個生態系中，非生物因子是先決的、是決定性的。

不過，生物因子對生態系的影響也還是有的。

只是，環境都是存在的，不論這些影響是什麼、怎麼影響。

真的不騙你，生物因子的影響沒有很大啦。

像是這四種交互作用，只有掠食是比較主要的影響。所以我們等一下的時間大概都繞掠食「對生態系」造成的影響。

第二個是競爭，這只是決定兩個物種間誰留下來影響生態系。

共生跟寄生更是「對生態系」沒什麼影響啊！所以我們這邊根本不會提到這兩個，是在下一節課，專門教群集時，才會多些時間介紹。

競爭的部分，什麼叫做決定誰留下來？

每種生物都有各種需求，像是水、光線、空間、濕度等等，這些條件的交集，就是這個生物在生態系裡的抽象位置，我們叫做生態區位。

當兩個生物的各種需求很接近的時候，就會彼此競爭，贏的就留下來。

這邊就用課本上的兩種槭樹與草履蟲做例子（從後面群集的部分拿過來講）

所以才會說，對生態系的影響只有誰競爭贏，留在生態系而已。

那，讓我們專心來看掠食對生態系的影響吧（掠食本身放在後面的群集講喔）

小時候大家都學過食物網，但不知道那有什麼用，除了算是哪一級的消費者之外。

但如果加上食性關係的程度，就可以拿來判斷關鍵種。

像這個斑馬，因為是很多生物的食物，所以如果發生數量的變動，對整個生態系都會有很大的影響。

而食性關係也決定了生態系裡的能量與物質怎麼走。（這邊才提到能量與物質）

在一個生態系裡，要維持這兩類的運作，只需要生產者與分解者就好。

因為生產者能靠自己就把無機物變成有機物，而分解者能把有機物變成無機物。

就物質與能量的運作來看，是不需要消費者的喔。

那麼，「動物會進行呼吸作用，將葡萄糖變成二氧化碳，也是有機物變成無機物，為什麼不算分解者呢？」

這邊會停大約三分鐘，讓學生在心裡準備一個答案。

因為生產者與分解者是功能上的定義。

以分解者來說，是整個系統的生物都依賴他們將有機物變成無機物。

誰呢？是腐生細菌跟腐生真菌。

他們有海量的酵素種類，幾乎什麼有機物都可以分解。

木頭裡的木質素、塑膠裡的聚合物，都有對應的酵素可以分解。

如果沒有他們，很多物質與能量會被卡在生物體內，無法回到無機狀態。

但動物只能分解少數糖類、脂質與蛋白質，這個系統即使沒有動物，也還是能將有機物變回無機物。

因此，在功能上，動物不被依賴作為分解者。

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吃與被吃的關係裡，除了有機、無機之間的轉換外，還有能量的轉移。

（這邊會連回去選修生物一時教過的自由能喔）

生態學家發現，如果我們用食性分層，那麼每一層的「吃」大約都只有十分之一的能量會被吃到！

因為只有變成我們身體一部分的那些能量，可以被掠食者吃到啊。

想想，也還好只有十分之一欸。

如果我們每天吃進去的1500(女生)~2500(男生)卡都存在物質中、留在身體裡，那麼每天就會增加130~270公克的脂肪，五天就增加一公斤，一年就會增加72公斤的脂肪！！

（等學生想通後大笑）

不過，能量去哪裡了呢？

所以我問了四個問題，請小組選一個進行討論，然後分享討論的過程

（不是結果，只要講有討論到什麼就好。這可以避開學生覺得好像一定要是正確的答案）
（當然老師在接話時，就不能以哪個是正確的去接話）

這四個問題是

1. 9/10的能量去哪兒了？
2. 既然課本上以熱能散失描述，那麼，這個世界為什麼沒有越來越熱？？
3. 能量的轉移是單向還是雙向？
4. 為什麼能量不能循環？

學生多半討論是第一與第三個問題。

讓十個小組都分享完，再一起梳理。

在這邊有幾個隱藏的重點，是在接學生的回答時，可以留意並追問一些細節。

• 確保學生「真的認知到」運動以外的耗能有哪些。
  
• 用上面的自由能解釋能量為什麼不能循環。
  
• 連結到細胞學時，對呼吸作用的能量轉移效率的學習。
  
• 澄清是以系統尺度來觀察能量（與個體層次區別）。

例如（要依據學生分享的內容來調整）

剛剛講的運動會消耗熱能的意思是什麼呢？
（大多學生只是直覺運動會耗能，但說不出細胞級的機制）

其實是肌肉在收縮的時候，有肌絲蛋白的變形、滑動（記得用手比劃動作）。
而肌絲蛋白的變形是要透過ATP轉移磷酸跟與自由能才能完成的。

還記得嗎？（一邊在白板上寫下呼吸作用的化學式）
我們在細胞學時曾經帶大家算過葡萄糖中的能量只有很少一部分轉移到ATP中
（要算給學生看，雖然學生多半都有在點頭表示有記得）

這麼一來，身體裡所有會用到ATP的活動，都會造成能量散失，像是主動運輸。
也就是神經細胞內外的離子濃度差、每個細胞的物質進出都會造成散失，才會有90％這麼高啊。

（這邊如果不這樣帶學生算過，那麼學生只是把課本上說「運動、主動運輸」給背下來）


而這些沒有被轉移到ATP的能量是以熱能形式散失

因為熱能是亂度最大的能量形式（把我們在高二講的東西簡單說一下），無法再被轉為光能，所以不能被植物吸收喔

（鎢絲燈是電能轉光能＋熱能喔）

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從上一張投影片說明，這也是為什麼生態系多半只有四層，因為到上面的能量就超級少了。

不過很奇怪的是，海洋中竟然可以到七級！

為什麼呢？

而且海洋還不止這邊奇怪喔。

我們剛剛用食性做的金字塔是用能量為主題

也可以用生物總重量或數量為主題。

如果是生物總重量，那麼也會正向的金字塔型。
因為能量越多，理論上形成的總重量也越大。

數量會出現第一層比較小也不難想像，因為一棵大樹上會有很多昆蟲。

但是，水域生態系又是奇怪的了。

竟然它的生物量塔會是下面比較小！！

為什麼呢？？？

是水域生態系不用遵守能量與物質的定理嗎？？？

還是生物量塔有什麼前提假設，會造成這樣的現象？？

這邊就留大約五分鐘讓學生想，然後以全班尺度邀請分享就好。

（學生的回答常常很有趣，也展示了他們對能量和物質之間的混淆）

最後再提供常見的說法。

不過要注意，課本上的只是說法，並沒有辦法驗證喔。

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第三節課是物質循環，也埋了讓學生engaged的元素喔